| 研究課題/領域番号 |
15H02245
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
須川 成利 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70321974)
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| 研究分担者 |
黒田 理人 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40581294)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 電子デバイス・機器 / センシングデバイス / 撮像素子 |
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| 研究実績の概要 |
(1) 横型オーバーフロー蓄積容量（LOFIC）を用いたCMOS撮像素子の画素内電荷電圧変換ゲインを極大化するデバイス構造・プロセス技術を開発した。具体的には、開発したテスト回路によって明らかにした、現状のフローティングディフュージョン容量（CFD）の構成因子の中で高い割合を占めるゲートオーバーラップ容量とPN接合容量を低減するため、ゲート電極エッチング直後のイオン注入工程の排除、N型拡散層直下のP型濃度の低減、N型拡散層形成用のイオン注入ドーズの低減を行った。その結果、設計・試作したCMOSイメージセンサにおいてCFDを0.66fFまで低減することに成功し、243μV/電子の電荷電圧変換ゲインを達成した。
(2) 撮像信号読出しに重畳するノイズを極小化し、入力換算ノイズを低減するための低ノイズ画素内ソースフォロワトランジスタと低ノイズ列回路を開発した。具体的には、これまでの研究で統計的に低ノイズ化に効果があることを明らかにした埋め込みチャネル構造の画素内ソースフォロワへの適用と、画素列毎に高・低ゲインアンプの導入を行った。高い電荷電圧変換ゲインで電圧に変換した高感度画素信号を高・低ゲインアンプを介して第1－1信号、第1－2信号として読み出し、低い電荷電圧変換ゲインで電圧に変換した高飽和画素信号をゲインアンプを介さない信号経路で第2信号として読み出し、3つの信号を合成することで1回の露光期間で100dBのダイナミックレンジにおいて線形応答を得る方式を開発した。設計・試作したCMOSイメージセンサ試作機において第1－1信号では、16倍のゲインアンプを用いることで、入力換算のノイズ電圧を100μVに低減し、(1)で明らかにした低CFD構造と合わせることで入力換算で0.46電子のノイズ特性を達成した。さらに、1光子検出を達成するためのさらなる低ノイズ化のための最適化指針を得た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
当初は個別に取り組む計画であった画素内電荷電圧変換ゲインの極大化と列回路の低ノイズ化について、平成27年度内に上記2つ技術を組み合わせた効果を測定・評価できるCMOSイメージセンサの試作機を設計・試作し、最終的な性能指標である入力換算ノイズ電子数において性能を評価することのできるCMOSイメージセンサの基盤を前倒しして築いた。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成27年度に達成した243μV/電子の電荷電圧変換ゲインと100μVの入力換算ノイズについて、それぞれフローティングディフュージョン部形成のプロセス・レイアウト条件の最適化、列毎に設けたゲインアンプの回路パラメータの最適化をすることで、250～300μV/電子の電荷電圧変換ゲインと50～60μVの入力換算ノイズを達成し、1光子検出に求められる入力換算ノイズ電子数である0.2個を達成すると共に、5万個以上の飽和電荷数を両立する。
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